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1 INTRODUCCION
En la industria, la Ingeniería de Materiales se ha convertido en uno de los aspectos de mayor importancia debido a los resultados que arroja la investigación y experimentación sobre ellos, con el fin de obtener nuevos procesos y mejo-res mejo-resultados de las propiedades mecánicas de los materiales, (en este caso puntual sobre los aceros) a través de tratamientos térmicos, de-formaciones en caliente o frio, entre otros para la mejora constante de las aplicaciones en las que intervengan estos aceros. “Los aceros usa-dos en el sector automotriz se definen como de alta resistencia HSS (High-Strength Steels) los cuales poseen límites elásticos comprendidos entre 210 y 550 MPa y con una tensión de ro-tura entre 270 y 700 MPa. Mientras que
otros aceros con límites elásticos mayores de 550 MPa y con tensiones de rotura mayor de 700 MPa son llamados aceros avanzados de alta resistencia AHSS (Advanced High-Strength Steels)”.[1]
En la figura 1 se puede observar una compa-ración general de los aceros, porcentaje de elongación total con respecto al límite elástico en MPa, en esta se puede ver la gran diferencia entre los aceros convencionales y los aceros avanzados de alta resistencia. En este proyecto de grado se realiza un análisis microestructural de un acero convencional AISI/SAE 1045 ha-ciendo uso de deformaciones plásticas en ca-liente y en frio, además de tratamientos térmicos (temple, revenido) para generar transformación
inducida por
REALIZAR UN ANALISIS MICROESTRUCTURAL DEL ACERO AISI/SAE 1045
SOMETIDO A TRANSFORMACION INDUCIDA POR PLASTICIDAD (TRIP)
A. Castañeda - E. Castro
[email protected] – [email protected] Universidad Distrital Francisco José De Caldas, Bogotá, Colombia
Octubre de 2015
RESUMEN:
El objetivo de este estudio es desarrollar un análisis microestructural de un acero convencional AISI/SAE 1045 sometido a transformación inducida por plasticidad. De esta manera se contribuye al estudio y desarrollo académico de la Ingeniería de Materiales, y por ende al avance de nuevos proce-sos metalúrgicos que mejoren el progreso de tecnología en la Industria Nacional. Se muestran los ante-cedentes de proyectos similares para tener una guía de desarrollo, un marco teórico sobre la descrip-ción del efecto TRIP (Transformadescrip-ción inducida por plasticidad), sus características más relevantes en relación a los tratamientos térmicos y deformaciones a los que se somete; la metodología usada para deformar, tratar y realizar el análisis microestructural del acero, los resultados y el análisis del acero TRIP resultante.
ABSTRACT:
2 plasticidad (TRIP) trabajando entre las tem-peraturas intercriticas en base a la composi-ción química del acero en cuestión.
Fig.1. Relación % de elongación vs Limite Elástico. [2]
El presente trabajo está dividido en cua-tro partes de fácil identificación: la pri-mera parte constituye el marco teórico y antecedentes (bases del efecto TRIP, transformaciones de fase a temperaturas intercriticas, proceso de obtención del acero TRIP); la segunda parte muestra las características y el procedimiento usado para el análisis del material (deformacio-nes en frio, deformacio(deformacio-nes en caliente, graficas de tratamientos térmicos, imá-genes); la tercera parte muestra los re-sultados obtenidos (metalografía, mi-croscopia óptica, mimi-croscopia por barrido electrónico, difracción por rayos X); y en la cuarta parte las respectivas conclusio-nes del presente proyecto de grado.
2 OBJETIVOS 2.1 Objetivo General
Realizar un análisis microestructural del acero AISI/SAE 1045 sometido a trans-formación inducida por plasticidad (TRIP).
2.2 Objetivos Específicos
Realizar una deformación en frio, una deformación en caliente, y luego un
tra-tratamiento térmico para posteriormente ca-racterizarlo y comparar sus resultados.
Analizar la microestructura en el acero AISI/SAE 1045 sometido a transformación in-ducida por plasticidad (TRIP).
Caracterizar el porcentaje de bainita o de las fa-ses presentes por medio de microscopia elec-trónica y realizar pruebas de dureza al acero TRIP.
3 MARCO TEORICO 3.1 Efecto TRIP
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Fig. 2. Regímenes de temperatura característicos para la transformación martensítica inducida por tensión y por deformación. [4]
Fig. 3. Esquema del efecto TRIP durante la defor-mación. [5]
3.2 Transformaciones de fase presentes a temperaturas intercriticas en un TRIP
Como vemos en la figura 4 la microestructura de los aceros TRIP es una formación de dis-tintas fases donde la ferrita y bainita son las que forman la matriz. Las fases bainitas y martensiticas serán las encargadas de darle al
material una alta resistencia. Poseen una can-tidad mínima del 5% de austenita retenida. Durante la deformación, la aparición de una fase dura entorno a la ferrita crea un endure-cimiento por deformación, sin embargo, en las transformaciones inducidas por plastici-dad la austenita retenida también se transfor-ma progresivamente en transfor-martensita con el au-mento de la tensión, con lo cual aumenta aún más la dureza consiguiendo niveles más altos que los Dual Phase. En los TRIP también in-terviene la velocidad de deformación, factor muy importante para las propiedades que afectan a la resistencia al impacto. [6]
Fig. 4. Fases presentes a temperaturas intercriticas en un acero TRIP. [7]
El nivel de austenita retenida que se transforma en martensita dependerá del contenido de car-bono. A bajos niveles de carbono, la austenita retenida empezará a transformarse inmediata-mente bajo deformaciones. A altos niveles de carbono la austenita retenida será más estable y se transformará con niveles de esfuerzos mayo-res. Este será la causa de que este material ten-ga una excelente capacidad para absorción del impacto, e ira aumentando conforme aumente la deformación.
3.3 Procesamiento para obtener un acero TRIP.
4 acero laminado en caliente, seguido de un lami-nado en frio con el fin de deformar la microes-tructura y difundir la energía potencial necesaria para obtener eficientemente la recristalización. El acero se vuelve a calentar a temperatura in-tercrítica donde el acero recristaliza, creciendo pequeños granos de austenita y ferrita. En la re-gión intercrítica la austenita puede ser enriqueci-do en el carbono a la química eutectoide (apro-ximadamente 0,8% en peso de carbono) buscando perdurar en la parte inferior en el ran-go de temperatura. Dependiendo de la cantidad de deformación antes y la temperatura de man-tenimiento esta recristalización en ferrita y auste-nita puede ser muy rápida. Tiempos de espera largos son evitados en este paso para prevenir el crecimiento de grano perjudicial. Un esquema de la común de dos etapas TRIP tratamiento térmico se muestra en la figura 5. [8]
Fig. 5. Representación esquemática de los tratamientos termo mecánicos aplicados a los aceros TRIP con ma-terial en caliente o en frio. [9]
El tratamiento térmico descrito antes producirá una estructura que consta de ferrita, bainita y austenita, con algo de martensita o cementita dependiendo de las condiciones de la bainita. La ferrita aparecerá como granos equiaxiales que se formaron durante la temperatura intercrí-tica. La austenita que se mantiene a temperatura ambiente aparece en pequeños granos equiaxia-les o "en bloques" en los límites de los granos de ferrita o de bainita. Esta estructura se ve en la fi-gura 6.
Fig. 6. Micrografía SEM de la estructura TRIP equiaxial, fase A es austenita, B es bainita y F es ferrita. [10]
Es posible producir diferentes microestructuras de la representada en la Figura 15 mediante el uso de las mismas dos etapas de tratamiento térmico pero a partir de una diferente microes-tructura. Dos formas diferentes para la obten-ción del acero TRIP a partir de dos microes-tructuras diferentes cada una se refiere a la morfología resultante de la austenita retenida, el tratamiento térmico común se denomina como "equiaxial" y la más compleja basada en la mi-croestructura de martensita se denomina como "laminar" para la forma de placa delgada estruc-tura, de la austenita retenida.
4. METODOLOGIA
5 Al obtener las probetas atacadas
química-mente se estudian estas en Microscopio Electrónico para observar los resultados de las deformaciones y los tratamientos térmicos en la estructura del acero. Con el fin de obte-ner mejores resultados se hace uso de Mi-croscopio Electrónico de barrido (SEM) y Difractor de Rayos X para tratar de identifi-car las fases presentes. Además se realiza prueba de dureza en las probetas para com-parar los dos procesos. Los experimentos realizados en este estudio pueden servir de guía para evaluar otro tipo de materiales en los que se busquen obtener propiedades TRIP.
5. PROCEDIMIENTO 5.1 Material Seleccionado
El material seleccionado para este estudio pertenece a un lote de aceros AISI/SAE 1045 de la compañía Aceros Industriales S. A. La composición química del acero se muestra en la tabla 1.
Tabla 1. Composición química acero AISI/SAE 1045.
5.2 Calculo de las temperaturas intercri-ticas.
Con el fin de alcanzar la microestructura para un acero TRIP es importante que es-te se trabaje en la zona + y del diagra-ma Fe-C, esto nos indica que se debe tra-bajar en el rango de temperaturas intercriticas comprendidas entre Ac1 y Ac3.
Estas temperaturas intercriticas se basan en la composición química de cada mate-rial, las expresiones para calcularlas se muestran a continuación en grados Cel-sius. [11] Ac1 = 723 – 7.08 Mn + 37.7 Si + 18.1 Cr +44.2 Mo + 8.95 Ni + 50.1V + 21.7Al +3.18W + 297S – 830N – 11.5 C Si – 14.0 Mn Si – 3.10 Si Cr – 57.9 C Mo – 15.5 Mn Mo – 5.28 C Ni – 6.0 Mn Ni + 6.77 Si Ni – 0.80 Cr Ni – 27.4 C V + 30.8 Mo V – 0.84 Cr2 – 3.46 Mo2 – 0.46 Ni2 – 28 V2 Ac1 = 728 °C
Para que el material se encuentre en estado total de austenización es necesario que la temperatura de tratamiento se encuentre por encima de Ac3.
Ac3 = 912 – 370 C – 27.4 Mn + 27.3 Si – 6.35Cr – 37.2 Ni + 95.2 V + 190 Ti + 72.0 Al + 64.5 Nb + 5.57 W + 332 S + 276 P + 485 N – 900 B + 16.2 C Mn + 32.3 C Si + 15.4 C Cr + 48.0 C Ni + 4.32 Si Cr – 17.3 Si Mo – 18.6 Si Ni + 4.80 Mn Ni + 40.5 Mo V + 174 C2 + 2.46 Mn2 – 6.86 Si2 + 0.322 Cr2 + 9.90 Mo2 + 1.24 Ni2 + 60.2 V2 Ac3 = 784 °C
Después de obtenidas las temperaturas intercri-ticas, se seleccionan las temperaturas para reali-zar el tratamiento térmico luego de aplicar la de-formación al acero; esta decisión se basa en recomendaciones de la documentación investi-gada en antecedentes. Para el caso de la defor-mación en frio se escogen 740 °C y 770 °C pa-ra evaluar el comportamiento cercano a Ac1 y
Ac3. Para la deformación en caliente se escoge
la temperatura de 770 °C luego del proceso de laminación.
5.3 Deformación en frio y tratamiento térmico.
6 ensayo. Para tomar las medidas se hizo uso de un calibrador pie de rey digital marca Stanley.
Tabla 2. Resultados obtenidos del ensayo de com-presión.
El tratamiento térmico realizado a las probe-tas luego de la deformación hecha en el ensa-yo de compresión se puede observar en la fi-gura 7.
Fig. 7. Esquema de tratamiento térmico realizado a probetas deformadas en frio.
Las muestras se dividieron en dos grupos de cinco probetas. Para tener una referencia las probetas A y B se llevaron solo hasta el temple en agua. El primer grupo se llevó a temperatura de 740 °C, las probetas se man-
tuvieron 60 minutos para cumplir con el tiempo de homogenización del material, luego se tem-plaron en agua por cinco minutos. El revenido se realizó a temperatura de 550 °C cada 30 minutos por probeta hasta 120 minutos. En la figura 8 se puede observar las probetas luego de realizado el tratamiento térmico. El proce-dimiento descrito para el primer grupo fue el mismo para el segundo, con la diferencia que se llevaron a temperatura de 770 °C. En la ta-bla 3 se puede ver el tratamiento térmico reali-zado a cada una.
Fig. 8. Grupo de probetas a temperatura de 770 °C. Tratamiento térmico completo.
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5.4 Deformación en caliente y trata-miento térmico.
El proceso de deformación en caliente y el tratamiento térmico realizado para obtener el acero TRIP se llevaron a cabo en las instala-ciones de la Universidad Michoacana (Méxi-co-Morelia). Se utilizaron tres probetas del material seleccionado anteriormente (Acero AISI/SAE 1045), las dimensiones iniciales de estas fueron de 100 x 50 x 20 mm. La razón para escoger estas medidas se basó en re-comendaciones hechas por el Doctor Arnol-do BeArnol-dolla (Director del instituto de investi-gaciones metalúrgicas), además de las características del laminador usado. Para realizar la deformación en caliente se debe asegurar que el acero se encuentre en total estado de austenización, por lo cual por re-comendación del Doctor Arnoldo se eleva la temperatura hasta 950 °C para las muestras; este proceso se lleva a cabo en un horno tipo mufla referencia Naberttherm modelo LCS/14. El tiempo empleado para llegar a 950 °C fue de 90 minutos. La temperatura de homogenización empleada fue de 60 mi-nutos. Cuando se cumplió el tiempo de ho-mogenización se realizó la laminación del ma-terial, teniendo en cuenta 3 deformaciones diferentes (15% - 30% - 50%). En el rango de temperaturas intercriticas se utiliza un ter-mómetro infrarrojo referencia CEM modelo DT-8869 para controlar que la temperatura no descienda de 770 °C, ya que esta es la temperatura para iniciar el tratamiento térmi-co luego de la deformación en caliente.
Tabla 4. Características del proceso de laminación.
En la tabla 4 se puede observar las caracterís-ticas del proceso de laminación de las tres probetas para las deformaciones de 15 – 30 y 50 %, además de la temperatura de finaliza-ción de laminado antes de iniciar el tratamiento térmico. El tratamiento térmico realizado a las probetas luego de la deformación hecha en el laminador mecánico se puede observar en la figura 9.
Fig. 9. Esquema de tratamiento térmico realizado a probetas deformadas en caliente.
Después de realizar la deformación en caliente, y previo control de la temperatura de las probe-tas se procede a efectuar el tratamiento térmico TRIP manteniendo durante 60 minutos las pro-betas en horno tipo mufla. Al cumplir los 60 mi-nutos se enfrían a temperatura ambiente las tres probetas hasta llegar a 550 °C haciendo uso del termómetro infrarrojo. A continuación se realiza el revenido a temperatura de 550 °C durante 120 minutos de tiempo. Para finalizar se templan las probetas en agua. En la tabla 5 se pueden observar las características finales de las probe-tas al terminar el tratamiento térmico. En la figu-ra 10 se ven en físico la deformación de las probetas.
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Tabla 5. Características acero AISI/SAE 1045 TRIP.
Fig. 10. Probetas deformadas luego de finalizar tra-tamiento térmico TRIP.
6. RESULTADOS Y ANALISIS
Los resultados se obtuvieron de la observa-ción de la metalografía de las probetas ha-ciendo uso de microscopio óptico, micros-copio por barrido electrónico (SEM), y análisis de dureza de las probetas utilizadas.
6.1 Microscopio Óptico
En la figura 11 y figura 12 se puede eviden-ciar el resultado del ensayo de compresión que se realizó en frio a 25 y 40 toneladas más sus respectivos tratamientos térmicos, obteniéndose en principio un alargamiento de los granos que generan mejores propiedades en la dureza del material. La reducción en el tamaño del grano ocurre por el proceso de dislocación, formando barreras que obstru-yen el desplazamiento de las dislocaciones, proceso por el cual endurece el material
durante la deformación plástica en frío. Luego el acero se somete a un tratamiento térmico de templado y revenido donde se homogeniza el material y se compactan los granos consi-guiéndose que estos sean más finos, lo que mejora la composición del material. Por medio del tratamiento realizado se obtiene una estruc-tura diferente apareciendo ferrita + martensita.
Fig. 11. Micrografía de acero 1045 deformado en frio a 25 toneladas, temple en agua + revenido a 550 °C. Nital 5%. 1000x.
Fig. 12. Micrografía de acero 1045 deformado en frio a 40 toneladas, temple en agua + revenido a 550 °C. Nital 5%. 1000x.
9 caliente, se deja tiempo de homogenización y
se realiza un revenido y templado en agua, para obtener una microestructura de ferrita + bainita superior (debido a las temperaturas usadas), lo que ayuda al material a ser más compacto con ferrita + carbonatos nanomé-tricos; obteniendo mejores propiedades me-cánicas y mayor resistencia a la fatiga. Se realizan cortes transversales y longitudinales para observar cual es el mejor comporta-miento, esto se evidencia en la figura 13 y fi-gura 14.
Fig. 13. Micrografía de acero 1045 laminado en ca-liente a 950 °C, revenido + temple en agua. Corte Longitudinal. Nital 5%. 1000x.
Fig. 14. Micrografía de acero 1045 laminado en ca-liente a 950 °C, revenido + temple en agua. Corte Transversal. Nital 5%. 1000x.
Al referirse a cortes transversales y longitudi-nales, se debe tener en cuenta que estos son
respecto al sentido de laminación de las probe-tas.
6.2 Microscopio por barrido electrónico (SEM)
Para el análisis por SEM se toman dos mues-tras, teniendo en cuenta lo observado por mi-croscopio óptico y la recomendación del Doc-tor Arnoldo, una probeta de compresión en frio y otra de laminado en caliente. Sus característi-cas son: En primera una probeta deformada a 35 toneladas en frio, temple en agua y revenido a 550 °C durante 90 minutos. Y segunda una probeta con deformación a 50 % en laminado, revenido a 550 °C durante 120 minutos y tem-ple en agua. Para el análisis por barrido electró-nico se utilizó el microscopio JEOL referencia JSM-7600F en las instalaciones de la Universi-dad Michoacana de México. En la figura 15 (probeta deformada en frio) se puede evidenciar las fases ferrita + martensita, donde la ferrita se puede identificar de color gris y la martensita como el sistema enmarañado; la martensita es una distorsión de la ferrita por el ataque quími-co, por el lado de la ferrita se presenta un au-mento gradual.
10 En la Figura 16 (probeta deformada en caliente) se observa la fase ferrita de forma más uniforme con pequeños nódulos de bainita superior, po-demos encontrar algunas inclusiones que son óxidos y sulfuros del material base. Estas inclu-siones se generan debido al proceso de fabrica-ción del acero mismo. En el siguiente ítem se realiza un análisis por rayos x para ver este comportamiento.
Fig. 16. Micrografía de acero 1045 por barrido electró-nico deformado en caliente. Corte longitudinal al senti-do de laminación. Nital 5%. 5000x.
Fig. 17. Micrografía de acero 1045 por barrido electró-nico deformado en caliente. Corte transversal al senti-do de laminación. Nital 5%. 5000x.
6.3 Análisis Dureza.
Esta prueba se realizó tomando en cuenta los re-sultados obtenidos anteriormente con las diferen-tes probetas que se estudiaron, y se relacionan en la siguiente tabla. Se tomaron tres mediciones con su respectivo promedio. En la tabla 6 se ven los resultados.
Tabla 6. Resultados de pruebas de dureza para probetas deformadas en frio y en caliente. Dureza Vickers.
6.4 Porcentaje de fases presentes.
11 Color azul. Fase 1. Fase ferrita.
Color amarillo. Fase 2. Fase bainita superior. Color rojo. Fase 3. Austenita retenida.
CORTE LONGITUDINAL.
CORTE TRANSVERSAL.
7. CONCLUSIONES
12 tratamiento térmico de temple y revenido mejo-ra sus propiedades formando un micro estructu-ra de ferrita + martensita.
- Se encuentra bainita superior en el proceso de laminado en caliente, mejorando las propie-dades del material como un ACERO TRIP, ya que la presencia de la fase mejora las propieda-des mecánicas del material para aplicaciones varias.
- Al comparar los dos procesos de deformación (en frio y en caliente) se demuestra una mejor estructura en el acero laminado, debido a la re-cristalización consecutiva que se da en su trata-miento térmico, lo que lleva a obtener un grano cada vez más fino que mejora las propiedades mecánicas en general; mientras que al deformar-lo en frio se obtiene mejoría en las propiedades de dureza.
- Al realizar el análisis del porcentaje de fases presente en el acero TRIP obtenido se encuen-tra un 20.48% de formación de bainita en la probeta cortada longitudinalmente al sentido de laminación. Por otro lado al analizar la probeta cortada transversalmente al sentido de lamina-ción se encuentra un 15.86% de bainita. Para el análisis de porcentaje de ambas probetas la fase de austenita retenida no supera el 5%.
8. REFERENCIAS
[1] [2] Observatorio Tecnológico del metal. (2008). Aceros Avanzados de Alta
Resisten-cia AHSS. ValenResisten-cia: Instituto Tecnológico
Me-talmecánico.
[3] [4] [5] DOSSIER TECNOLOGICO. Ma-dias Jorge. Aceros planos avanzados de alta
resistencia. Metallon, Argentina.
[6] [7] Observatorio Tecnológico del metal. (2008). Aceros avanzados de alta resistencia. Valencia: Instituto Tecnológico Metalmecánico. [8] [9] [10] Lawrence Rutter B. J. (2010). The effect of phase morphology and volume fraction of retained austenite on the formability of trans-formation induced plasticity steels. Thesis. Queen´s University. Canada
[11] O. E. A. Kasatkin, “Calculation models for determining the critical points of steel,” Metal sci-ence and heat treatment, vol. 26, Nº 1-2, pp. 27-31, 1984.
9. AGRADECIMIENTO
Expresamos nuestros más sinceros agradecimientos a la Universidad Michoacana de San Nicolás de Hidalgo (México-Morelia) por prestarnos sus ins-talaciones para el desarrollo de nuestra tesis, en es-pecial al Doctor Arnoldo Bedolla Jacuinde, Direc-tor del Instituto de Investigaciones Metalúrgicas UMSNH. Así como también a nuestro tutor el In-geniero Carlos Arturo Bohórquez Ávila.
10. AUTORES
Efraín Castro Gómez
Trabaja en Multidimensionales S.A Tecnólogo Mecánico
Anderson Castañeda Rodríguez Tecnólogo Mecánico
